\documentclass[a4paper,10pt]{article}
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%opening
\title{Tecnologias de banda larga móvel, UMTF e WiMax}
\author{ Alex\\
          Danilo Gaby Andersen Trindade - 06/82039\\
         \\Pedro Rogério Vieira Dias - 06/93472}

\begin{document}

\maketitle

\begin{abstract}
	Trabalho final de Transmissão de dados. Tratamos de duas atuais tecnologias
	de banda larga móvel. O UMTS é uma das tecnologia de terceira geração de telefonia
	móvel. TODO
\end{abstract}

\vfill
\newpage

\tableofcontents
\newpage

\section{Motivação}
	TODO
\newpage

\section{Introdução}
TODO
\newpage

\section{Redes 3G e UMTS}
	Redes 3G é um nome comercial dado ao conjunto de tecnologias de redes móveis para telefonia
	celular de terceira geração. Sistemas de telefonia móvel podem ser definidos como: um tipo de
	tecnologia para enlace de rádio (interface aérea), o espectro usado, as larguras de banda que
	as tecnologias usadas podem oferecer para o usuário e os serviços oferecidos. O que difere nas
	gerações de telefonia celular são, em alto nível, esses aspectos.
	
	 Primeiramente vamos descrever
	brevemente como as redes de telefonia móvel chegaram a terceira geração. 

	
	

\subsection{Evolução das redes de telefonia móvel}
TODO Falar rapidamente de redes 1G

     falar um pouco sobre GSM GPRS
	 
	 falar sofre IMT-2000 UMTF

	Alex vc falou que queria fazer essa parte.

\subsection{Comutação de pacotes IP no UMTF}
	A comutação de pacotes no UMTF é feita através do GPRS...TODO
	Antes de descrever como o UMTF disponibiliza serviços IP para seus clientes vamos dar uma
	olhada em sua arquitetura.

	TODO Falar que o UMTF nao eh bom para comutação de pacotes
\subsubsection{Arquitetura do UMTF}

	Apresentaremos a primeira arquitetura proposta para a UMTS em 1999. Ela esta representada
	na figura \ref{arq}. Pode ser dividida em 3 partes principais:
	\begin{itemize}
	\item WCDMA, a interface aérea. Responsável por comunicar o usuário com a UTRAN.
	\item A rede acesso de radio (\emph{UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN}),
	responsável por conectar os usuário ou núcleo da rede, que proporciona os serviços.
	\item O núcleo da rede (\emph{core network}), responsável pelos serviços de voz e de dados.
	\end{itemize}	


\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=0.15]{./img/arquiteturaUMTS.jpeg}
	\caption{Arquitetura do UMTF(release99) fonte \cite{4g}}
	\label{arq}
\end{figure}

	Primeiramente vamos explicar o que é cada elemento da arquitetura e suas interfaces.TODO (focar na comutacao de pacote)
	\begin{itemize}

	\item Estação base (Node B) : responsável pela transmissão e recebimento de dados do usuário pela interface Iu. Realiza correção
	de erros, controle de fluxo e modulação. Cada estação base é responsável por um número de setores, e estações
	vizinhas trabalham usando códigos de modulação diferentes (será explicado na parte de WCDMA).
	\item RNC (\emph{Radio Network Controller}) : responsável pela multiplexação e demultiplexação de dados,
	que podem ser por comutação de pacotes (através da interface Iu(PS)) ou circuito (através da interface Iu(CS)). Cada RNC é responsável pelas suas estações base, eles são
	agrupados pela interface Iur e gerenciam os recursos de rádio sozinhos. Controlam o congestionamento e possibilitam a transparência
	para o usuário da mudança de estação base, o chamado hand-over. São switches ATM que atualmente vem sendo trocados
	por redes ethernet usando MPLS\footnote{\emph{Multi Protocol Label Switching}}.
	\item SGSN (\emph{Serving GPRS Support Node}) : gerência as sessões GPRS, que possibilita a comutação de pacotes IP
	em uma rede de telefonia móvel, foi herdada das redes GSM. Realiza o roteamento de pacotes para as RNCs.
	\item GGSN (\emph{Gateway GPRS Support Node}) : é o roteador de borda IP (gateway), possibilita o acesso á internet.
	\item MSC (\emph{Mobile Switching Centre}) : gerencia as conexões orientada a circuitos e os registros de
	usuários. Cria os circuitos fim-a-fim.
	\item GMSC (\emph{Gateway MSC}) : trata as conexões de entrada e saída com a rede pública de telefonia, rede de comutação de
	circuitos.
	\item HLR (\emph{home location register}) : um grande banco de dados com informação sobre os usuários da rede.
	
	\end{itemize}	

\subsubsection{Controle de sessão}
	Agora que temos uma visão da arquitetura vamos descrever como o UMTS da suporte
	a uma sessão de dados por comutação de pacotes para seus usuários.
TODO



\newpage

\section{WiMax}

\subsection{O que é Wimax?}

	O Wimax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) é uma implementação de rede sem fio baseada no padrão IEEE 802.16, com o propósito de
	entregar conectividade em qualquer lugar. Esse padrão foi desenvolvido para se utilizar uma tecnologia que não depende de antenas visadas (ou seja, 
	as antenas não precisam estar no campo de visão umas das outras) para se entregar uma conexão a longas distâncias sem fio, sem diminuir a capacidade
	de banda das implementações equivalentes com fio que existem hoje em dia.
	
	Ela é primariamente vista como uma tecnologia "last mile", que é responsável pelo último passo da conexão entre um provedor e o seu usuário, devido ao
	seu longo alcance e grande banda, porém, dependendo de como for utilizada, ela pode ser uma tecnologia para compor LANs, MANs e até mesmo WANs.
	
	Esta tecnologia já está sendo utilizada e testada por todo o mundo. Na figura abaixo vemos duas utilizações delas nos arredores de Brasília, uma fixa
	(pino vermelho) e uma móvel (pino amarelo).
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=0.5]{./img/wimaxbrasilia.jpg}
	\caption{Wimax implementado perto de Brasília.}
	\label{arq}
\end{figure}

	Na próxima figura podemos ver a evolução das tecnologias de acesso sem fio existentes.
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=0.5]{./img/tecwireless.jpg}
	\caption{Evolução das tecnologias sem fio.}
	\label{arq}
\end{figure}

	E na outra figura, vemos ainda uma comparação das tecnologias existentes e suas áreas de cobertura.
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=0.5]{./img/coberturas.jpg}
	\caption{Área de cobertura de tecnologias de acesso sem fio.}
	\label{arq}
\end{figure}
	
\subsection{Padrões Wimax}
	
	As implementações do Wimax que se vê na prática são o Wimax fixo e o Wimax móvel. O Wimax fixo, baseado no padrão IEEE 802.16-2004 (802.16d),
	trata de redes implementadas sem roaming, ou seja, um cliente que contrata esse serviço tem uma área determinada, coberto pela antena que o conecta,
	em que elepode andar e ainda possuir conexão, porém se passar para a área coberta por outra antena, seu serviço deixa de funcionar.
	Já o Wimax móvel, baseado no padrão IEEE 802.16e-2005 (802.16e), prevê roaming de modo ao cliente estar sempre conectado a seu serviço contanto que alguma
	antena consiga o alcançar, similar ao serviço de roaming dos aparelhos celulares.
	Um novo padrão está prestes a sair, prevendo continuação da rede Wimax móvel, o 802.16m.
	
\subsection{Vantagens}
	
	A banda alcançada esperada prática para os usuários atualmente fica na faixa de 1 a 5 Mbps, dependendo do provedor. Isso pode variar devido a varios fatores,
	como a frequência sendo utilizada, a distância entre o nó base e o usuário, se existe uma antena visada ou não, e o número de usuários na rede.
	O Wimax Forum fala sobre uma capacidade de banda de 40 Mbps para as torres Wimax, Mas ele está se referenciando a quanto poderia alcançar um único canal
	sendo usado por somente um usuário. usuários individuais conseguem esta quantia, mas o mais provável é que ela seja limitada por múltiplos usuários, cada um
	ainda assim obtendo uma banda similar a experiência a cabo.
	
	Um dos elementos chave do Wimax é a compatibilidade de sua tecnologia. Através da certificação do Wimax Forum, ele garante a interoperabilidade entre os
	equipamentos diferentes, causando uma grande economia e segurança de funcionalidade. Os equipamentos Wimax são padrões mesmo entre o padrão fixo e móvel
	do Wimax, o que garante uma fácil aplicação seja qual o tipo de serviço oferecido pelos provedores.
	
	O Wimax possui uma grande cobertura, considerando interferências e condições climáticas varia entre 3 e 10 Km, mesmo sem possuir antenas visadas. As vantagens
	de não se ter uma antena visada incluem cobertura de uma área maior, melhor predição de cobertura e custo menor por se ter necessidade de um menor número de
	estações, com torres menores. Com esta cobertura, torna-se mais fácil de implementar este serviço onde não se possui infraestrutura para a implementação de
	outros serviços de banda larga, como áreas distantes da cidade ou áreas pobres.
	
	Essa tecnologia utiliza multiplexação OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing) para prover uma eficiência do uso de banda maior, dando uma vazão
	grande de dados. Além disso, o custo de aparelhos Wimax é baixo ao se comparar com as outras tecnologias de acesso.


\subsection{OFDM e OFDMA}

	(adicionar bib http://www.conniq.com/WiMAX/)
	
	A interface Wimax é baseada numa camada física que utiliza OFDM e OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) para multiplexação.
	Ambas são extensões da tecnologia FDM (Frequency Division Multiplexing).
	
	Em um sistema FDM, sinais de vários transmissores são transmitidos ao mesmo tempo, porém em frequências diferentes. Cada alcance de frequência ("sub-carrier") é
	modulado por streams de dados diferentes e um espaço (chamado "guard band") é posto entre os sub-carriers para evitar interferências entre os sinais.
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=1]{./img/FDM.jpeg}
	\caption{Modelo de um sistema FDM}
	\label{arq}
\end{figure}	
	
	Já um sistema OFDM utiliza ainda múltiplos sub-carriers, mas eles são espaçados bem mais próximos uns aos outros removendo os guard bands.
	Isso é possível pois os sub-carriers são ortogonais, o que significa que o pico de um sub-carrier é o ponto nulo de um sub-carrier adjacente.
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=1]{./img/OFDM.jpeg}
	\caption{Modelo de um sistema OFDM}
	\label{arq}
\end{figure}	
	
	Um sistema OFDM precisa de menos banda que o FDM para carregar a mesma quantia de informação, o que traduz em maior eficiência espectral.
	Além disso, em um sistema OFDM, um stream de dados grande é dividido em vários streams pequenos paralelos, que são mapeados em sub-carriers individuais.
	Isso garante uma resistência maior em um ambiente sem antena visada pois não se perde um dado por completo quando se tem interferência devido ao fato dele
	estar dividido, auxiliando na recuperação.

	O OFDMA segue o mesmo caminho do OFDM, porém ele agrupa os sub-carriers em "sub-channels". Esses sub-carriers agrupados não precisam necessariamente
	estarem adjacentes. Em um "downlink", um sub-channel pode ir para receptores diferentes. Em um "uplink", um transmissor pode transmitir em mais de um sub-channel.
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=1]{./img/OFDMA.jpeg}
	\caption{Modelo de um sistema OFDMA}
	\label{arq}
\end{figure}	
	
	Os sub-channels podem ser alocados a estações clientes dependendo da condição do canal e requerimento de dados. Dessa forma, estações de base podem alocar
	mais poder a clientes que possuem menos ruido no canal, ou então mais poder a sub-channels utilizados num interior de um prédio para aumentar a cobertura
	de um edifício inteiro.
	
	A figura abaixo demonstra esse processo de utilizar sub-channels, contrastando OFDM com OFDMA. Na OFDM, somente um cliente pode transmitir
	em um slot de tempo, enquanto que no OFDMA, vários clientes podem transmitir no mesmo slot de tempo em vários sub-channels diferentes.
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=1]{./img/subchannelization.jpeg}
	\caption{Utilização de sub-channels}
	\label{arq}
\end{figure}	

	Um sistema usuário pode poupar energia pois pode contrar ela somente nos sub-channels alocados para ela. Isso é essencial para permitir a mobilidade
	proposta no Wimax móvel, onde dispositivos provavelmente vão depender de baterias.
	
\subsection{FDD e TDD}

	O WiMax possui duas maneira de dividir o espectro usado pelos dados enviados(\emph{uplink}) e recebidos(\emph{downlink})
	por um terminal Wimax, o FDD (\emph{Frequency Division Duplex}) e o TDD(\emph{Time Division Duplex}).
	O FDD necessita de dois canais, um pra uplink e outro para downlink, é utilizado nas redes de telefonia móvel
	2G e 3G. Já o TDD usa somente um canal
	que é dividido em intervalos de tempo, intercalando nesses intervalos downlink
	 e uplink a medida que os recursos de banda são necessários.
	O FDD é ineficiente para prover fluxo de dados assimétrico, já que o tráfego pode ocupar
	somente uma pequena parcela da banda disponível, é eficiente para prover serviços de voz,
	já que possui canais dedicados para recebe e enviar ao mesmo tempo. O TDD pode ajustar os intervalos
	de tempo que cada lado vai estar transmitindo, e dessa maneira ajustar melhor o uso do
	espectro em relação ao FDD, alem de usar metade do espectro que o FDD usa. A primeira
	versão do Wimax fixo suporta tanto TDD quanto FDD, ja a versão móvel (Wimax mobile) inclui somente o TDD.


\subsection{MIMO}

	Os transmissores e receptores Wimax utilizam múltiplas antenas para aumentar a vazão de um link. Este sistema é chamado de MIMO (Multiple Input Multiple Output).
	Um sistema de ponto a ponto multiplica linearmente a vazão de acordo com o número de antenas que possui.
	
	Uma técnica chamada de "Alamouti STC" (Space Time Coding) pode ser empregada em um transmissor de duas antenas.
	O STC permite o transmissor a transmitir informação em ambos tempo e espaço, o que significa que a mesma informação é transmitida entre duas antenas em dois
	tempos seguidos.
	
	Sistemas MIMO muitas vezes usam multiplexação espacial (SM - Spatial Multiplexing) para permitir que sinais sejam transmitidos por vários domínios
	espaciais diferentes. O MIMO suporta o uso do SM ou do STC, ou de ambos juntos, para maximizar a eficiência espectral sem diminuir a área de cobertura.
	Trocar dinamicamente entre esses modos baseado na condição do canal é chamado de "Adaptative MIMO Switching" (AMS), o que combinado ao AAS melhora ainda
	mais a performance do Wimax.

\subsection{WiMAX vs Wi-Fi}

	Apesar da tecnologia Wimax ser uma evolução da tecnologia Wi-Fi, elas não são necessariamente excludentes. A tecnologia Wimax é mais complexa e pode possuir
	muitas habilidades desnecessárias a pequenas redes locais. A rede Wi-Fi normalmente é usada em redes locais, enquanto a rede Wimax é mais focada para MANs e WANs.
	Além disso, o Wimax possui compatibilidade com a rede Wi-Fi, devido a alta similaridade entre as duas implementações.
	
	Abaixo segue uma figura comparativa entre as duas tecnologias.
	
\begin{figure}[h!]
	\centering
	\includegraphics[scale=0.5]{./img/wifi.jpg}
	\caption{Wimax x Wi-Fi}
	\label{arq}
\end{figure}	

	
\newpage


\section{Conclusão}
TODO

\newpage

\begin{thebibliography}{99}

\bibitem{redes} Tanenbaum, A. S.. “Redes de Computadores”. Editora Campus , 2003. 
\bibitem{4g} David Wisely "IP for 4G". John Wiley , 2009.
\bibitem{tutorialUMTS} Eduardo Tude, "Tutorial UMTS"  disponivel em \underline{www.teleco.com.br}

\end{thebibliography}






\end{document}
